This article presents a computationally efficient framework for multi-objective seismic design optimization of steel moment-resisting frame (MRF) structures based on the nonlinear dynamic analysis procedure. This framework employs the uniform damage distribution philosophy to minimize the weight (initial cost) of the structure at different levels of damage. The preliminary framework was recently proposed by the authors based on the single excitation and the nonlinear static (pushover) analysis procedure, in which the effects of record-to-record variability as well as higher-order vibration modes were neglected. The present study investigates the reliability of the previous framework by extending the proposed algorithm using the nonlinear dynamic design procedure (optimization under multiple ground motions). Three benchmark structures, including 4-, 8-, and 12-story steel MRFs, representing the behavior of low-, mid-, and high-rise buildings, are utilized to evaluate the proposed framework. The total weight of the structure and the maximum inter-story drift ratio (IDRmax) resulting from the average response of the structure to a set of seven ground motion records are considered as two conflicting objectives for the optimization problem and are simultaneously minimized. The results of this study indicate that the optimization under several ground motions leads to almost similar outcomes in terms of optimization objectives to those are obtained from optimization under pushover analysis. However, investigation of optimal designs under a suite of 22 earthquake records reveals that the damage distribution in buildings designed by the nonlinear dynamic-based procedure is closer to the uniform distribution (desired target during the optimization process) compared to those designed according to the pushover procedure.
Duhee Park;Van-Quang Nguyen;Gyuphil Lee;Youngsuk Lee
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.24
no.2
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pp.13-24
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2023
Tunnels may undergo a larger or a smaller response compared with the free-field soil. In the pseudo-static procedure, the response of the tunnel is most often characterized by a curve that relates the racking ratio (R) with the flexibility ratio (F), where R represents the ratio of the tunnel response with respect to the free-field vibration and F is the relative stiffness of the tunnel and the surrounding soil. A set of analytical and empirical curves that do not account for the depth and the aspect ratio of the tunnel are typically used in practice. In this study, a series of dynamic analyses are conducted to develop a set of F-Rm relations for use in a frame analysis method. Rm is defined as an adjusted R where the rocking mode of deformation is removed and only the racking deformation is extracted. The numerical model is validated against centrifuge test recordings. The influence of aspect ratio, buried depth of tunnel on results is investigated. The results show that Rm increases with the increase of the buried depth and the aspect ratio. The widely used F-R relations are highlighted to be different compared with the obtained results in this study. Therefore, the updated F-Rm relations with proposed equations are recommended to be used in practice design. The rocking response decreases with either the decrease of the difference of stiffness between surrounding soil and tunnel or the larger aspect ratio of the tunnel section.
Mert Bezcioglu;Cemal Ozer Yigit;Ahmet Anil Dindar;Ahmed El-Mowafy;Kan Wang
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.6
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pp.589-599
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2024
This study presents the usability of the high-rate single-frequency Precise Point Positioning (SF-PPP) technique based on 20 Hz Global Positioning Systems (GPS)-only observations in detecting dynamic motions. SF-PPP solutions were obtained from post-mission and real-time GNSS corrections. These include the International GNSS Service (IGS)-Final, IGS real-time (RT), real-time MADOCA (Multi-GNSS Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis), and real-time products from the Australian/New Zealand satellite-based augmentation systems (SBAS, known as SouthPAN). SF-PPP results were compared with LVDT (Linear Variable Differential Transformer) sensor and single-frequency relative positioning (SF-RP) solutions. The findings show that the SF-PPP technique successfully detects the harmonic motions, and the real-time products-based PPP solutions were as accurate as the final post-mission products. In the frequency domain, all GNSS-based methods evaluated in this contribution correctly detect the dominant frequency of short-term harmonic oscillations, while the differences in the amplitude values corresponding to the peak frequency do not exceed 1.1 mm. However, evaluations in the time domain show that SF-PPP needs high-pass filtering to detect accurate displacement since SF-PPP solutions include trends and low-frequency fluctuations, mainly due to atmospheric effects. Findings obtained in the time domain indicate that final, real-time, and MADOCA-based PPP results capture short-term dynamic behaviors with an accuracy ranging from 3.4 mm to 8.5 mm, and SBAS-based PPP solutions have several times higher RMSE values compared to other methods. However, after high-pass filtering, the accuracies obtained from PPP methods decreased to a few mm. The outcomes demonstrate the potential of the high-rate SF-PPP method to reliably monitor structural and earthquake-induced ground motions and vibration frequencies of structures.
Overpopulation has significantly increased the use of underground spaces in urban areas, and led to the developments of shallow-depth underground space. Due to unexpected rock fall, however, it is very necessary to understand and categorize the rock mass behaviors prior to the tunnel excavation, by which unnecessary casualties and economic loss could be prevented. In case of cave-in, special attention should be drawn since it occurs faster and greater in magnitude compared to rock fall and plastic deformation. Types of cave-in behavior are explained and categorized using seven parameters - Uniaxial Compressive Strength (UCS), Rock Quality Designation (RQD), joint surface condition, in-situ stress condition, ground water condition, earthquake & ground vibration, tunnel span. This study eventually introduces a new index called Cave-in Behavior Index (CBI) which explains the behavior of cave-in under given in-situ conditions expressed by the seven parameters. In order to assess the mutual interactions of the seven parameters and to evaluate the weighting factors for all the interactions, survey data of the experts' opinions and Rock Engineering Systems (RES) were used due to lack of field observations. CBI was applied to the tunnel site of Seoul Metro Line No. 9. UDEC analyses on 288 cases were done and occurrences of cave-in in every simulation were examined. Analyses on the results of 288 cases of simulations revealed that the average CBI for the cases when cave-in for different patterns of tunnel support was estimated by a logistic regression analysis.
In this study, a new methodology fur the assessment of liquefaction potential is proposed and characteristics of the proposed methodology are verified. The experimental parameter of this methodology, that is, the plastic shear strain trajectory, is compared with the dissipated energy. It is shown that this parameter can express the liquefaction behavior which is generated by excess pore water pressure. This methodology takes advantage of the shear strain time history determined from the site response analysis based on the real time history of earthquake. In this site response analysis, shock type and vibration type records of similar predominant frequency are inputted. The liquefaction safely factors based on the proposed methodology and Korean detailed assessment related to the classical method are calculated from the results of the site response analysis and laboratory dynamic tests. Through this study, it is found that the proposed methodology can not only simulate the liquefaction behavior of saturated soils hut also express the seismic characteristics reasonably : leading type, predominant frequency, maximum acceleration, duration time.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.2
s.72
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pp.171-185
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2006
A sophisticated reliability analysis method is proposed to evaluate the reliability of real nonlinear complicated dynamic structural systems excited by short duration dynamic loadings like earthquake motions by intelligently integrating the response surface method, the finite element method, the first-order reliability method, and the iterative linear interpolation scheme. The method explicitly considers all major sources of nonlinearity and uncertainty in the load and resistance-related random variables. The unique feature of the technique is that the seismic loading is applied in the time domain, providing an alternative to the classical random vibration approach. The four-parameter Richard model is used to represent the flexibility of connections of real steel frames. Uncertainties in the Richard parameters are also incorporated in the algorithm. The laterally flexible steel frame is then reinforced with reinforced concrete shear walls. The stiffness degradation of shear walls after cracking is also considered. The applicability of the method to estimate the reliability of real structures is demonstrated by considering three examples; a laterally flexible steel frame with fully restrained connections, the same steel frame with partially restrained connections with different rigidities, and a steel frame reinforced with concrete shear walls.
Structures show the phehomena of deformation and lowering of function with time-lapse by artificial environments and changes of geotechnical conditions or accumulation of initial deformation elements. This study aims the structural assessment of cultural property, Chum-Sung-Dae, located in Kyeongju city, Korea. It was built about 1,300 years ago, and has undergone deformation and ground-subsidence with time-lapse. Non-destructive evaluation techniques were applied to the Chum-Sung-Dae, to protect it from survey Because of this reason, 3D precise laser scanning surveying system was applied to measure the exact size of Chum-Sung-Dae, displacement and declining angles. Geophysical exploration also was applied to study the subsurface distribution of geotechnical parameters or physical properties. Natural frequencies were measured from real and model of Chum-Sung-Dae to study the dynamic characteristics of vibration and/or earthquake load and stiffness of structures.
Park, Eun-Churn;Lee, Sung-Kyung;Lee, Heon-Jae;Moon, Suk-Jun;Jung, Hyung-Jo;Min, Kyung-Won
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.5
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pp.465-474
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2008
The real-time hybrid testing method(RT-HYTEM) is a structural testing technique in which the numerical integration of the equation of motion for a numerical substructure and the physical testing for an experimental substructure are performed simultaneously in real-time. This study presents the quantitative evaluation of the seismic performance of a building structure installed with an passive and semi-active MR damper by using RT-HYTEM. The building model that was identified from the force-vibration testing results of a real-scaled 5-story building is used as the numerical substructure, and an MR damper corresponding to an experimental substructure is physically tested by using the universal testing machine(UTM). The RT-HYTEM implemented in this study is validated because the real-time hybrid testing results obtained by application of sinusoidal and earthquake excitations and the corresponding analytical results obtained by using the Bouc-Wen model as the control force of the MR damper respect to input currents were in good agreement. Also for preliminary study, some semi-active control algorithms were applied to the MR damper in order to control the structural responses optimally. Comparing between the test results of semi-active control using RT-HYTEM and numerical analysis results show that the RT-HYTEM is more resonable than numerical analysis to evaluate the performance of semi-active control algorithms.
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.23
no.3
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pp.295-303
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2023
South Korea has recently witnessed an increasing number of seismic events, leading to a surge in studies focusing on seismic earth pressures, as well as the attributes of geological layers and ground where foundations are established. Consequently, earthquake-resistant design has become imperative to ensure the safety of subterranean structures. The slurry wall method, due to its superior wall rigidity, excellent water resistance, and minimal noise and vibration, is often employed in constructing high-rise buildings in urban areas. However, given the separation between panels that constitute the wall, slurry walls possess limited resistance to seismic loads in the longitudinal direction. As a solution, several studies have probed into the possibility of interconnecting slurry wall panels to augment their seismic performance. In this research, we developed and evaluated a method for linking slurry wall panels using mechanical joints, including concrete-confined steel pipes and headed bars, through mock-up tests. We also assessed the constructability of the suggested method and compared it with other analogous methods. Any challenges identified during the mock-up test were discussed to guide future research in resolving them. The results of this study aid in enhancing the seismic performance of slurry walls through the development of an interconnected panel method. Further research can build on these findings to address the identified issues and improve the efficacy and reliability of the proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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